DE69823602T2

DE69823602T2 - Siliconzusammensetzung mit verbesserter Hochtemperaturtoleranz

Info

Publication number: DE69823602T2
Application number: DE69823602T
Authority: DE
Inventors: John Eric Delanson Tkaczyk; Frederic Joseph Schenectady Klug; Jayantha Clifton Park Amarasekera; Chris Allen Scotia Sumpter
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-09-15
Filing date: 1998-09-15
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: US6051642A; JP3524396B2; EP0902440B1; JPH11172107A; DE69823602D1; EP0902440A1; US6395815B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf Siloxanverbindungen. Speziell bezieht sich diese Erfindung auf Siloxanverbindungen mit Zusätzen zur Verbesserung der Hochtemperaturtoleranz der Siloxanzusammensetzung in Bezug auf die Verwendung als Isolation, wie für elektrische Drähte und Kabel.
Bei Feuer handelt es sich um ein komplexes und das Gefühl ansprechendes Gebilde. Die Folgen von Feuer sind oft katastrophal und desaströs. Feuer zerstört viele anscheinend nicht zerstörbare Gegenstände und Materialien. Feuer verbrennt Holz zu Asche, schmilzt Metalle und verdampft viele andere Substanzen, wobei oft gefährliche Gase entstehen. Diese Gase sind oft giftig und verursachen schwere Probleme, selbst für Menschen, die geschult sind Feuer zu bekämpfen und zu kontrollieren. Demzufolge ist es sehr wünschenswert, Materialien zur Verfügung zu stellen, die hitze- und feuerbeständig sind, speziell bei Systemen, die Feuerwehrleuten ermöglichten ihre Arbeit zu erledigen, bspw. Beleuchtungs- und Kommunikationssysteme in Gebäuden.
Elektrische Kabel für Beleuchtungs- und Kommunikationssysteme, die in der Lage sind, während eines Feuers zu funktionieren, werden zu einem Standard und sind oft per Gesetz erforderlich, um das Bekämpfen eines Feuers zu erleichtern und die Ausbreitung des Feuers im Gebäude einzuschränken. Gesetzliche Regelungen in verschiedenen Ländern bestimmen, dass wesentliche elektrische Kreise geschützt werden müssen, um sicherzustellen, das elektrische Systeme in der Lage sind, zu funktionieren, wodurch die Sicherheit von Personen im Innern des Gebäudes sichergestellt werden. Dieser Schutz erlaubt auch Feuerwehrleuten effizienter Feuer zu kontrollieren und zu löschen.
Standars, wie der französische Standard: NF C 32-070 ADD1 und der britische Standard BS 6387:1994 beschreiben Zertifizierungstests für elektrische Kabel in Hinblick auf Feuertoleranz. Diese Zertifizierungstests schließen das Heizen einer Kabelprobe, einschließlich der Isolationshülle, ein. Das Heizen wird in einer geeigneten Anlage, wie einem Ofen, oder durch direktes Aussetzen von Flammen erreicht. Während des Heizens wird das Kabel unter eine bestimmte Spannung gesetzt. Dabei leidet das Kabel unter einer periodischen, mechanischen Belastung, die zum Teil durch den Einschlag eines motorisierten Arms hervorgerufen wird. Das Versagen des Kabels ist im Hinblick auf den Zustand von Sicherungen oder Schaltern, die in Reihe geschaltet sind und die Leiter des Kabels an die Stromquelle anschließen. Das Kabel oder der Draht muss in der Lage sein, eine zuvor bestimmte Temperatur über eine zuvor bestimmte Zeitspanne auszuhalten, um den Standard zu erfüllen.
An bestimmten Stellen, wie bspw. hohen Gebäuden, ist ein Minimum an Zeit nötig, damit alle Personen, die sich im Gebäude befinden können, erreicht werden können. Daher muss das elektrische System während eines Feuers zumindest während dieser Zeitspanne aufrechterhalten werden. Es wurde festgelegt, dass einige essentielle Stromkreise in der Lage sein müssen, zumindest zwei Stunden, oft mehr als vier Stunden, zu funktionieren, um die Sicherheit von Menschen zu gewähren. Solche Systeme schließen bspw. Alarme ein, die wiederum essentiell sind, um den Betrieb anderer Systeme, wie Telefonsysteme, Beleuchtungssysteme, Aufzugssysteme, Ventilationssysteme, Feuerpumpen etc. zu betreiben.
Elektrische Kabel und Drähte, die in solchen Systemen verwendet werden, sollen unversehrt bleiben und während hoher Temperaturen, die mit einem Feuer einhergehen, zumindest während längerer Zeitspannen ihre Leitfähigkeit beibehalten. Dies erlaubt Notfallpersonal bestehende elektrische Systeme zur Kommunikation, Beleuchtung und anderen damit verbundenen Anwendungen zu verwenden.
Polymermaterialien, wie organische Kunststoffe und Siloxane, werden als elektrische Isolationen verwendet, bspw. für die Isolation von Kabeln und Drähten. Vergleiche bspw. US-Patente Nr. 5,227,586 von Beauchamp, 5,369,161 von Kumieda et al., 5,260,373 von Toporcer et al.. Während diese organischen Materialien auf Grund ihrer isolierenden Eigenschaften akzeptabel sind, liegt es in der Natur organischer Materialien, dass diese in Bereichen, in denen es brennt, dazu führen können, das Feuer zu verbreiten, Rauch zu emittieren und Verbrennungsprodukte freisetzen, die für Menschen gefährlich sind, die gesundheitsschädlich sowie schädlich für Material sind, was alles natürlich unerwünscht ist.
Des weiteren sind diese isolierenden Materialien während einer verlängerten Zeitspanne nicht sehr temperaturbeständig.
Elektrische Isolationseigenschaften von Draht und Kabelisolationen, wie den Isolationen, die aus organischem Material gebildet sind, zersetzten sich während einem Feuer und den hohen Temperaturen, die mit einem Feuer einhergehen. Die Zersetzung der Isolation kann dazu führen, dass die elektrische Anlage versagt und der Stromfluss unterbrochen wird, bspw. durch elektrische Kurzschlüsse und Entladungen durch Isolationsschichten. Im speziellen ist der Erhalt der mechanischen und elektrischen Integrität der Isolation bei Temperaturen bis zu 950°C stark herabgesetzt und beeinträchtigt.
Bspw. sind viele Kabel, die zur Zeit verwendet werden, in der Lage Temperaturen in der Nähe von etwa 1000°C zu überstehen. Dennoch ist die Unversehrtheit des Drahtes oder Kabels bei solch hohen Temperaturen typischerweise auf einen Zeitraum von weniger als etwa 30 Minuten beschränkt. Die Isolierung versagt bei hohen Temperaturen häufig schon nach einer relativ kurzen Zeitspanne. Dieses Versagen führt zu elektrischen Kurzschlüssen oder elektrischen Entladungen und machen dadurch Versorgung mit Elektrizität unmöglich. Dies ist unerwünscht, speziell in der Umgebung von Feuern, da dadurch die Arbeit von Notfallalarmen und Beleuchtungssystemen, die bei der Evakuierung von Menschen, Rettungsanstrengungen und Feuerlöschanstrengungen hilfreich sind, verhindert wird. Die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen ist auf eine Zeitspanne von weniger als etwa 30 Minuten beschränkt.
Polymere Isolierungen basieren auf Siloxanpolymeren unter Zusatz von sowohl Hitzestabilisatoren als auch Füllstoffen aus pyrogener Kieselsäure sind bekannt. Dennoch zersetzen sich polymere Isolierungen auf Basis von Siloxanpolymeren bei Temperaturen oberhalb von etwa 650°C nach einer relativ kurzen Zeitdauer in niedermolekulare Spezies. Die Zersetzung einer polymeren Isolation auf Basis von Siloxanpolymeren wird begleitet von der Freisetzung von Wasser und Silizium enthaltenden Dämpfen, die weniger schädlich sind als die beißenden Dämpfe, die von Halogen-enthaltenden organischen Polymeren herrühren, wie PVC. Nach der Zersetzung verbleibt eine nicht flüchtige Asche. Die nicht flüchtige Asche kann als ein poröses Glas oder eine Keramik beschrieben werden, die Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff enthält. Eine Röntgenbeugung von pyrolisierter Siloxanasche deutet auf eine sehr feine Korngröße oder eine amorphe Struktur hin. Die elektrische Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften des polymeren Materials werden zu einem großen Teil durch dessen Mikrostruktur und Dichte, sowie dem exakten Verhältnis von Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff in der verbleibenden Asche bestimmt.
Da Polymere Isolationen, basierend auf Siloxanpolymeren, wie Siloxanpolymeren, mit dem Zusatz von sowohl Hitzestabilisatoren als auch pyrogene Kieselsäurefüllstoffen angemessene Isolationseigenschaften bei relativ niedrigen Temperaturen sowie nur für kurze Zeitspannen liefern, sind diese nicht allgemein für hohe Temperaturen und Hitze in Zusammenhang mit Feuer, speziell während längerer Zeitspannen geeignet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demzufolge ist es wünschenswert, eine Isolationszusammensetzung zu liefern, die die oben beschriebenen Nachteile, sowie weitere Nachteile des verwandten Stands der Technik, vermeidet.
Weiter ist es wünschenswert, eine isolierende Zusammensetzung zu liefern, die ein polymeres Silikonmaterial aufweist, wie, aber nicht darauf beschränkt, Silikonkautschuk, wobei zumindest ein gemahlenes silikatisches Mineral zugegeben ist.
Demzufolge ist es wünschenswert, eine Hochtemperaturisolationszusammensetzung zu liefern, die zumindest ein gemahlenes, silikatisches Mineral und zumindest einen polymeren Silikonkautschuk, wie, aber nicht darauf beschränkt, Silikonpolymer.
Daher ist es wünschenswert, eine Hochtemperaturisolierungszusammensetzung zu liefern, die zumindest ein gemahlenes Mineral und zumindest ein Siloxanpolymermaterial, wie, aber nicht darauf beschränkt, Silikonkautschuk, enthält, wobei das zumindest eine gemahlene Siliziummaterial zumindest ein Mineral ist, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Diese und andere Aspekte, Vorteile und nicht genannten Eigenschaften der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die, wenn diese mit den beigefügten Graphiken zusammengenommen wird, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenbart.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Während die neuen Merkmale dieser Erfindung in der folgenden Beschreibung dargelegt sind, soll die Erfindung jetzt aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Zusammenhang mit den Figuren beschrieben werden, wobei in
1 ein Graph dargestellt ist, bei dem die Leitfähigkeit einer Silikonfolie, die mit verschiedenen silikatischen Mineralzusammensetzungen gefüllt sind, gegen die Temperatur aufgetragen und
2 die Schnittdarstellung eines elektrischen Leiters mit einer Isolierung, die als eine Ausführungsform der Erfindung gebildet ist, darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als Ausführungsform der Erfindung wurde bestimmt, dass es wünschenswert ist, die elektrische Leitfähigkeit der Isolationszusammensetzung bei hoher Temperatur zu verringern, wodurch vorteilhafterweise das Heizen in Zusammenhang mit der angelegten Isolationsbeanspruchung verringert wird. Daher wird bei relativ hohen Temperaturen während einer ausgedehnten Zeitspanne eine Isolation, als Ausführungsform der Erfindung, dem Fluss des elektrischen Stroms einen Widerstand aufrechterhalten. Des weiteren wurde bestimmt, dass eine verringerte elektrische Leitfähigkeit der Isolationszusammensetzung bei hohen Temperaturen vorteilhafterweise thermisch stabil bleibt, speziell bei hohen Temperaturen im Zusammenhang mit einer brennenden Umgebung.
Verringerte Leitfähigkeit der Isolationszusammensetzung kann eine Folge von zumindest einem von geringer spezifischer Leitfähigkeit von Additiven oder Vorteilen in Verbindung mit Wechselwirkungen des Additivs mit dem Silikonpolymermaterial, wie Silikongummi, aber nicht darauf beschränkt, in Bezug auf die Auswirkungen während der Pyrolyse, sein. Beispielsweise kann ein Additiv das Ausmaß der Schrumpfung der Struktur der Zusammensetzung verringern. Eine Struktur mit größerem spezifischen Volumen enthält entweder verstärkt Porositäten oder eine amorphe Glasmatrix mit geringer Dichte. Verringerte Schrumpfung der Isolationszusammensetzung führt zu geringerer elektrischer Leitfähigkeit der Struktur der Zusammensetzung.
Des weiteren wurde als Ausführungsform der Erfindung gefunden, dass erhöhte thermische Leitfähigkeit der Isolation vorteilhafterweise die Bildung von lokalen heißen Stellen der Isolation verhindert. Eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit der Isolation zur Verhinderung der Bildung von lokalen heißen Stellen bei der Isolierung wird durch effektive Entfernung von Hitze aus der Isolation zu umgebenden Elementen und assoziierten Strukturen erreicht.
Bei Isolationen, speziell polymeren Isolationen, die zumindest ein Silokonpolymermaterial, wie, allerdings nicht darauf beschränkt, Silikonkautschuk, aufweisen, und häufig eine Vielzahl von Silikonpolymermaterialien aufweisen, wurde ein Verstärkungseffekt, hervorgerufen durch bestimmte Additive, bestimmt, um die Festigkeit zu erhöhen und geringe Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen, speziell in Verbindung mit Feuer, zu erhalten. Zur Erleichterung der Diskussion bezieht sich die Beschreibung im folgenden auf Silikonpolymermaterialien, wobei das Silikonpolymermaterial Silikonkautschuk einschließt, allerdings nicht darauf beschränkt ist. Des weiteren wurde gefunden, dass der Verstärkungseffekt von bestimmten Additiven, speziell auf polymere Isolationen, die Silikonpolymermaterial aufweisen, wie, allerdings nicht darauf beschränkt, Silikonkautschuk, als Ausführungsform der Erfindung, erhöhte Rissbeständigkeit liefern. Es wurde ermittelt, dass die erhöhte Rissbeständigkeit die Isolation toleranter gegenüber thermischen und mechanischen Schocks macht, was sehr wünschenswert und vorteilhaft für den Erhalt der Unversehrtheit und des Betriebs elektrischer Drähte und Kabel (im folgenden Drähte) in einem Umfeld in Zusammenhang mit Feuern ist.
Des weiteren wurde ermittelt, dass die Zugabe von Additiven zu einer Silikonpolymerisolationszusammensetzung für Drähte, wie in der Erfindung enthalten, die thermischen Expansionscharakteristika von Isolationen an Drähten während der Pyrolyse durch die Additive verändert. Die thermischen Expansionscharakteristika von Isolationen während der Pyrolyse werden so verändert, dass diese ungefähr mit den thermischen Expansionscharakteristika des Metallleiters im Draht übereinstimmen.
Es wurde ermittelt, dass eine allgemeine Annäherung oder Übereinstimmung der thermischen Expansionscharakteristika des Metallleiters in einem Draht zu einer Verringerung von Querrissen führt. Querrisse stehen in Zusammenhang mit unterschiedlichen Expansionen des Metallleiterdrahtes im Verhältnis mit der Isolation des isolierten Drahtes. Da Querrisse unerwünscht sind, wurde bestimmt, dass Querrisse in einem Isolationsmaterial während der Pyrolyse weniger häufig auftreten sollen. Des weiteren führt die allgemeine Annäherung oder Gleichheit der thermischen Expansionscharakteristika der Isolation und des Metallleiters des Drahtes dazu, dass Querrisse am isolierten Draht oder isolierten Kabel während der Pyrolyse weniger häufiger auftreten. Demzufolge ist es wünschenswert, ein Material zur Verfügung zu stellen, dass Probleme in Zusammenhang mit Querrissen vermeidet.
Des weiteren wurde ermittelt, dass die Zugabe von Additiven in eine Silikonpolymerisolationszusammensetzung, wie in der Erfindung enthalten, das volumenmäßige Schrumpfen der Isolation von Drähten während der Pyrolyse durch die Additive verringert. Verringertes Schrumpfen führt zu verringerter Rissbildung. Da während eines Feuers unterschiedliche Bereiche der Isolationszusammensetzung unterschiedliche Temperaturen aufweisen können, verhindert eine annähernde Volumenunabhängigkeit der Isolation mit der Temperatur unterschiedliche Kontraktion der Isolation und verhindert die damit zusammenhängende Rissbildung während eines Feuers.
Daher wurden mehrere Materialien untersucht und bestimmt, um vorteilhafterweise die Pyrolyseeffekte von Silikonpolymerisolationen zu modifizieren. Speziell wurden unterschiedliche Materialien untersucht, um das Ausmaß der Modifizierung von Pyrolyseeffekten auf Silikonpolymerisolationen von isolierten Drähten oder Kabeln zu bestimmen.
Verschiedene Proben von Verbundmaterialien, die Zusätze verschiedener, gemahlener Silikatmaterialien zum Silikonpolymer aufweisen, um, wie in der Erfindung enthalten, ein isolierendes Verbundmaterial zu bilden, wurden hergestellt. Die Proben enthielten des weiteren pyrogene Kieselsäure. Pyrogene Kieselsäure wird als verstärkender Füllstoff verwendet, um zumindest eines, und vorzugsweise beide, von guten Polymerfüllwechselwirkungen und gute physikalische Eigenschaften, zu erhalten. Tests zur Ermittlung der Leitfähigkeit im Verhältnis zur Temperatur wurden für die entsprechenden Proben des Verbundmaterials durchgeführt, wobei gemahlene Silikatmineralien zu den Silikonpolymeren zugegeben waren, wie in der Erfindung enthalten, um die günstige, niedrige Leitfähigkeit des Verbundmaterials bei hohen Temperaturen, wie in der Erfindung enthalten, darzustellen.
In 1 ist eine Graphik der Leitfähigkeit gegen die Temperatur für verschiedene Verbundmaterialien, aufweisend die Zugabe von gemahlenen Silikatmineralien zu Silikonpolymeren, dargestellt. Die Verbundmaterialien weisen die Zugabe von gemahlenen Silikatmineralien zu Silikonpolymeren auf und sind in Form von Silikonfolien, die mit Silikatmineralzusammensetzungen gefüllt sind, getestet worden. In 1 sind für jedes der drei Proben der Verbundmaterialien, die die Zugabe von gemahlenen Silikatmineralien zu Silikonpolymeren aufweisen, zwei getrennte Läufe gezeigt, wie in der Erfindung enthalten. Die Proben der Verbundmaterialien, wie in der Erfindung enthalten, dargestellt in 1, schließen Silikonfolien, gefüllt mit Wollastonit (Kurven W1 und W2), Silikonfolien, gefüllt mit Glimmer (Kurven M1 und M2), Silikonfolien gefüllt mit Pyrophyllit (Kurven P1 und P2) und Silikonfolien, gefüllt mit Talk (Kurven T1 und T2), ein.
In 1 zeigen die Silikonfolienproben, die mit Talk (Kurven T1 und T2) und mit Pyrophyllit (Kurven P1 und P2) gefüllt sind, verbesserte Kombinationen von Charakteristika der elektrischen Leitfähigkeit und elektrischem Leitfähigkeitsverhalten. Wie in den Kurven dargestellt, besitzen die Silikonfolienproben, die mit Talk und Pyrophyllit gefüllt sind, niedrige Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen. Des weiteren lieferte oberflächenbehandelter Talk eine geringer Leitfähigkeit als unbehandelter (roher) Talk. Die geringere Leitfähigkeit ist in 1 durch die Kurven T1 und T2 dargestellt.
Gemahlene Silikate auf Basis von Glimmer und Talk wurden mit Silankoppelagentien behandelt. Die oberflächenmodifizierten Mineralien führten dazu, dass die Zusammensetzung mit der Silikonpolymerzusammensetzung verträglicher waren, wie in dieser Erfindung enthalten. Die oberflächenbehandelten Mineralien verbesserten ebenfalls die mechanischen Eigenschaften der Verbundsilikonpolymerzusammensetzungen, wie in der Erfindung enthalten.
Verschiedene Verbundsilikonpolymerzusammensetzungen mit gemahlenen Silikatmineralien, wie in der Erfindung enthalten, wurden hergestellt, um zu demonstrieren, dass diese Zusammensetzungen als Isolationen für Drähte geeignet sind. Die hergestellten Proben wiesen des weiteren pyrogene Kieselsäure auf. Die Verbundsilikonpolymerzusammensetzungen wurden als ausgehärtete Silikonfolien hergestellt, wobei die Folien aus gehärtetem Silikon eine Dicke von etwa 2 mm aufwiesen. Die Folien aus gehärtetem Silikon, die Verbundsilikonpolymerzusammensetzungen aufweisen, wie in der Erfindung enthalten, wurden mit den folgenden, ungefähren Gewichtsverhältnissen hergestellt: 100 Teile Silikonpolymer, 40 Teile pyrogene Kieselsäure und 40 Teile gepulvertes Silikatmineral. Pulver aus gemahlenem Silikatmineral, wie pyrogene Kieselsäure, wurden in das nicht gehärtete Silikonharz gemischt, zusammen mit einem Härteragens, bspw. einem 2-4,Dichlorbenzylperoxidhärteargens. Der Verbund wurde dann zu Folien gepresst, die anschließend für etwa 12 Minuten auf ungefähr 275°F geheizt wurden, um Vernetzung und Polymerisation zu bewirken.
Die Folien aus gehärtetem Silikon, die Silikonpolymerzusammensetzungen, wie in der Erfindung enthalten, aufweisen, wurden in ungefähr 3/4'' Scheiben geschnitten. Die elektrische Leitfähigkeit der Scheiben wurde bis zu einer maximalen Temperatur von 975°C als Funktion der Temperatur gemessen. Die Leitfähigkeitsdaten sind in 1 dargestellt, wobei die Kurve LPnat als Veranschaulichung für bekanntes Isoliermaterial steht, das keinen Silikatfüllstoff aufweist.
Die Probengröße der gehärteten Silikonscheiben, die Silikonpolymerzusammensetzungen aufweisen, wie in der Erfindung enthalten, wurden vor und nach den Tests gemessen. Die Messdaten zeigten an, dass das bekannte Isoliermaterial zumindest teilweise auf Grund des Schrumpfens bei hohen Temperaturen um etwa 6% schrumpft. Im Gegensatz dazu lag für mit Silikat gefülltes Material, wie in der Erfindung enthalten, wenig bis gar keine Schrumpfung vor.
Des weiteren wurde für manche Dimensionen, bei Folien aus gehärtetem Silikon, aufweisend Verbundsilikonpolymerzusammensetzungen, die Pyrophyllit und Glimmer enthalten, wie in der Erfindung enthalten, bestimmt, dass die Größe dieser Materialien zunahm. Die Größenzunahme kann vermutlich das Ergebnis einer Gasentwicklung während der Pyrolyse sein. Weiter ist vermutlich die Größenzunahme auf die Expansion von Pyrophyllit und Glimmer bei Zersetzung zurückzuführen.
Eine Untersuchung der Folien aus gehärtetem Silikon, aufweisend Verbundsilikonpolymerzusammensetzungen, wie in der Erfindung enthalten, nach der Pyrolyse zeigte an, dass im wesentlichen alle der silikatgefüllten Materialien, wie in der Erfindung enthalten, verbesserte mechanische Eigenschaften aufwiesen, besonders wenn diese mit Standard LP-Material (Kurve LPnat) verglichen wurden. Die Folien aus gehärtetem Silikon, enthaltend Verbundsilikonpolymerzusammensetzungen, wie in der Erfindung enthalten, zeigen wenig und in einigen Fällen überhaupt keine Rissbildung oder auf Rissbildung zurückzufÜhrende Entladungsvorgänge.
Im Gegensatz dazu, zeigte das bekannte LP-Material (Kurve LPnat) bei Inspektion Rissbildung. Des weiteren trat bei LP-Material häufig, bereits bei relativ niedrigen Temperaturen, elektrischer Ausfall auf. Die Silikat-gefüllten Materialfolien des gehärteten Silikons, enthaltend Verbundsilikonpolymerzusammensetzungen, wie in der Erfindung enthalten, versagten selten. Wenn die Silikat-gefüllten Materialfolien aus gehärtetem Silikon, enthaltend Verbundsilikonpolymerzusammensetzungen, wie in der Erfindung enthalten, offensichtlich versagten, konnte der Fehler vermutlich auf thermische Instabilitäten zurückgeführt werden.
Wie in 1 gezeigt, zeigen sowohl Silikonpolymerverbundmaterialien, die mit Wollastonit als auch mit Glimmer gefüllt sind, eine Leitfähigkeit, die wesentlich höher ist als die von Standard-LP-Materialien. Für Verbundmaterialien, mit Wollastonit und Glimmer als Füllstoffe war der elektrischer Ausfall auf Grund thermischer Instabilitäten erhöht. Als Ergebnis wurde ermittelt, dass diese beiden Füllstoffe nur bei Anwendungen verwendet werden sollen, bei denen die Temperaturen nicht über 800°C steigen. Dennoch wurde ebenfalls ermittelt, dass die Verwendung von Wollastonit und Glimmer als Verbundmaterialfüller gesteigerte Materialstärke und verbesserte thermische Expansion liefert.
Das Silikonpolymerverbundmaterial mit dem Füllstoff Pyrophyllit liefert ungefähr ähnliche Leitfähigkeit wie das Standard-LP-Material. Dennoch liefert der Silikonpolymerverbundwerkstoff mit dem Füller Pyrophyllit bei weitem überlegene mechanische Eigenschaften.
Talk-gefüllte Silikonpolymerverbundwerkstoffe besitzen eine niedrigere Leitfähigkeit bei höheren Temperaturen. Daher ist ein Talk-gefüllter Silikonpolymerverbundwerkstoff bestimmt ein Material in einem Silikonpolymerverbundwerkstoff zu sein, wie in der Erfindung enthalten, das sehr widerstandsfähig gegenüber elektrischem Ausfall ist.
Daher wurde bestimmt, dass geeignete Additive, wie gemahlene Silikatmineralien, die zu Silikonpolymeren zugegeben werden, wie in der Erfindung enthalten, bei der Isolation für Drähte und damit verbundene Systeme erfolgreich das Betreiben während hoher Temperaturen, wie bspw. während einem Feuer erlauben. Das erfolgreiche Betreiben geschieht während einer verlängerten Zeitspanne, speziell im Vergleich zu bekannten Materialien, einschließlich solcher mit einer dünneren Isolationsdicke.
Wie in der Erfindung enthalten, werden die gemahlenen Silikatmineralien, die zu dem Silikonpolymer zugegeben werden, als gemahlene Puderbestandteile zugegeben. Die gemahlenen Puderbestandteile werden homogen in eine nicht gehärtete Silikonpolymerzusammensetzung gemischt. Des weiteren können gewöhnliche und wohl bekannte Füllstoffe und Hitzestabilisatoradditive ebenfalls zu der Silikonpolymerzusammensetzung, die gemahlene Silikatmineralien aufweist, zugegeben werden. Die resultierende Verbundzusammensetzung wird dann für Kabelanwendungen als Isolierung auf Drähte gegeben, bspw. durch Beschichten, Coextrudieren oder andere wohl bekannte Anwendungsverfahren. Das Beschichtungsverfahren schliesst konventionelle Herstellungs- und Beschichtungsverfahren ein.
Das Verhältnis des gemahlenen Silikatminerals zu dem Silikonpolymer wird durch den Ausgleich der Niedrigtemperatur und Hochtemperatureigenschaften des Verbunds begrenzt. Beispielsweise erhöht sich die Viskosität bei geringer Temperatur eines nicht gehärteten Verbunds mit Erhöhung des Silikatmineralgehalts, was über einem bestimmten Wert für die Herstellung von Kabeln und Drähten unerwünscht wird. Das Verhältnis ist eingestellt, um eine akzeptable Viskosität bei der Draht- und Kabelherstellung zu liefern, aber noch ausreichend ist, um einen hohen elektrischen Widerstand und gewünschte mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen zu liefern. Wie in der Erfindung enthalten, wurde bestimmt, dass das gewünschte Verhältnis des gemahlenen Silikatminerals zu Silikonpolymer in einem Bereich zwischen 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% liegt. Des weiteren wurde bestimmt, dass das gewünschte Verhältnis von gemahlenem Silikatmineral zu Silikonpolymer im Bereich zwischen 15 Gew.-% bis 20 Gew.-% weiter vorteilhaft ist. Es wird davon ausgegangen, dass Zusammensetzungen, wie in der Erfindung enthalten, mit so wenig wie 5 Gew.-% eines Silikatminerals wünschenswerte Hochtemperatur-isolierende Eigenschaften aufweisen. Es wurde ebenfalls bestimmt, dass Zusammensetzungen, wie in der Erfindung enthalten, mit mehr als etwa 40 Gew.-% Silikatmineral schwerer zu verarbeiten sind als Verbindungen mit einem geringeren Prozentanteil, zumindest auf Grund der hohen Viskosität der Zusammensetzung.
Das gemahlene Silikatmineral, wie in der Erfindung enthalten, wird in Form von gemahlenem Pulver zugegeben und weist zumindest ein Mineral auf, das durch die Koordination von SiO₄ Tetradedern gebildet ist. Die Koordination von SiO₄ Tetraedern steht oft in Verbindung mit Mineralien, wie, allerdings nicht begrenzt auf, Aluminium, Magnesium, Calcium und Eisen. Demzufolge weist das gemahlene Silikatmineral, wie in der Erfindung enthalten, zumindest ein gemahlenes Silikatmineral aus der Gruppe, bestehend aus der Olivin-Gruppe, Granat-Gruppe, der Gruppe der Aluminosilikate, der Gruppe der Ringsilikate, der Gruppe der Kettensilikate und der Gruppe der Schichtsilikate.
Die Olivin-Gruppe weist gemahlene Silikatminerale, wie, allerdings nicht darauf beschränkt, Forsterit und Mg₂SiO₄, auf. Die Granatgruppe weist gemahlene Silikatminerale, wie, allerdings nicht begrenzt auf, Pyrop, Mg₃Al₂Si₃O₁₂, Grossular und Ca₂Al₂Si₃O₁₂, auf. Aluminosilikate weisen gemahlene Silikatminerale, sowie, allerdings nicht darauf beschränkt, Sillimanit, Al₂SiO₅, Mulllit, 3Al₂O₃2SiO₂, Kyanit und Al₂SiO₅, auf.
Die Gruppe der Ringsilikate weist gemahlene Silikatminerale, wie, allerdings nicht darauf beschränkt, Cordierit und Al₃(Mg, Fe)₂[Si₄AlO₁₈], auf. Die Kettensilikatgruppe weist geriebene Silikatminerale, wie, allerdings nicht darauf begrenzt, Wollastonit und Ca[SiO₃], auf.
Die Schichtsilikatgruppe weist geriebene Silikatminerale, wie, allerdings nicht darauf beschränkt, Glimmer, K₂Al₁₄[Si₆Al₂O₂₀](OH)₄, Pyrophyllit, Al₄[SigO₂₀](OH)₄, Talk, Mg₆[Si₈O₂₀](OH)₄, Serpentine, bspw. Asbest, Kaolinit, Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈, Vermiculit und (MgCa)_0,7(Mg, Fe, Al)₆[(Al, Si)₈O₂₀](OH)₄ 8H₂O, auf.
Natürliche Quellen für diese geriebenen Minerale sind allgemein in ausreichend reinem Zustand vorhanden. Es wurde bestimmt, dass speziell Alkalimetalle, wie, allerdings nicht darauf beschränkt, Kalium und Natrium, falls diese als Verunreinigungen in geriebenen Silikatmineral gefunden werden, einer Verbundsilikonpolymerzusammensetzung, die die gemahlenen Silikatminerale enthält, eine signifikante Hochtemperaturleitfähigkeit verleihen. Demzufolge sind Alkalimetalle abträglich für die Leistung der Verbundsilikonpolymerzusammensetzung, die gemahlene Silikatmineralien aufweist, als ein Isolationsmaterial.
Daher sollen gemahlene Silikatmineralien als Additive für eine Verbundsilikonpolymerzusammensetzung, wie in der Erfindung enthalten, die diese Alkalimetallverunreinigungen aufweisen, vermieden werden. Wenn festgestellt wird, dass gemahlene Silikatmineralien diese Alkalimetalle enthalten, sollen die Alkalimetalle aus den gemahlenen Silikatmineralien, falls möglich vor der Aufnahme in eine Verbundsilikonpolymerzusammensetzung, die das gemahlene Silikatmineral aufweist, entfernt werden.
Zusätzlich können die gemahlenen Silikatmineralien einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, bspw. mit einem Silankupplungsagents, um das absorbierte Wasser zu reduzieren. Die Oberflächenbehandlung der gemahlenen Silikatmineralien ermöglicht auch die einfachere Benetzung der gemahlenen Silikatmineralien mit dem Silikonpolymer. Die Oberflächen-modifizierten Mineralien verklumpen nicht und können homogen in das Silikonpolymer aufgenommen werden. Dies führt zu verbesserten mechanischen Eigenschaften der nicht gehärteten Zusammensetzung bei Raumtemperatur. Des weiteren fuhrt das oberflächenbehandelte Mineral zu einer geringeren Leitfähigkeit als das nicht behandelte Material oder als das Rohmaterial.
Zusätzlich wird eine Vielzahl von weiteren Additiven gewöhnlich verwendet, um die mechanische Beständigkeit, Viskosität und Alterungseigenschaften von isolierenden Systemen auf Silikonbasis zu modifizieren. Diese Additive sollen nicht nachteilig für die oben beschriebenen Hochtemperatureigenschaften sein. Sie sollen weder der Isolation bei hohen Temperaturen eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit verleihen, noch sollen sie zu einem Schrumpfen des Verbundmaterials führen.
2 ist eine Darstellung eines Schnitts durch einen elektrischen Leiter 10 mit einer Isolation, gebildet aus einer Zusammensetzung, wie in der Erfindung enthalten. Der Leiter 10 weist eine Isolation 12 und leitende Mittel 14 auf. Die Isolation 12 ist aus einer Zusammensetzung, wie in der Erfindung enthalten und oben beschrieben, gebildet. Das leitende Mittel 14 ist ein Gefügekabel, das einen Strom leitet. Das leitende Mittel 14 weist zumindest einen Draht, ein Kabel oder eine andere leitfähige Struktur auf. Das leitende Mittel 14 kann aus jedem leitendem Material, wie, allerdings nicht darauf beschränkt, Legierungen, Keramiken, Halbleitern, Drahtsträngen und Kabeln, sowie Kombinationen dieser Strukturen, gebildet sein. Die Isolation ist durch geeignete Mittel auf dem leitendem Mittel plaziert, bspw. durch Extrusion, allerdings nicht darauf begrenzt. Die genaue Anordnung und die Bestandteile der leitenden Mittel 14 sind nicht maßgeblich für den elektrischen Leiters 10 mit einer aus einer Zusammensetzung gebildeten Isolierung, wie in der Erfindung enthalten.

Claims

Eine bei hohen Temperaturen isolierende Isolierzusammensetzung, wobei die Zusammensetzung einen Silikonpolymerverbundwerkstoff umfasst, der im Wesentlichen besteht aus: wenigstens einem gemahlenen silikatischen Mineral, wobei das wenigstens eine gemahlene silikatische Material Pyrophylit umfasst: und einem Silikonpolymer.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung im Wesentlichen frei von Alkalimetallen ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung weiterhin wenigstens einen Füllstoff und/oder wärmestabilisierendes Additiv umfasst.
Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine gemahlene silikatische Mineral ein Pulver ist und homogen in das wenigstens eine Silikonpolymer eingemischt ist.
Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des wenigstens einen gemahlenen silikatischen Minerals zu dem wenigstens einen Silikonpolymer im Bereich zwischen 5% und 40 Gew.-% liegt.
Ein hoch Temperatur isolierter feuerbeständiger elektrischer Leiter (10), wobei der Leiter (10) umfasst: eine Isolierung (12); und leitende Mittel (14); wobei die Isolierung (12) umfasst: einen Silikonpolymerverbundwerkstoff, der aus wenigstens einem gemahlenen silikatischen Mineral, wobei das wenigstens eine gemahlene silikatische Material Pyrophylit aufweist; und einem Silikonpolymer besteht.